энергетика
Технология ARABELLE™ для АЭС: взять от мирного атома максимум
Принцип работы атомной электростанции достаточно прост. Тепло, выделяемое в ходе управляемой ядерной реакции, используется для нагрева воды, энергия полученного пара раскручивает вал паровой турбины, вращение вала передается электрогенератору. Однако для максимально эффективного использования энергии «мирного атома» требуются высокотехнологичные решения. Такие решения сегодня предлагает компания GE, ставшая одним из лидеров рынка паровых турбин после приобретения энергомашиностроительного бизнеса французского концерна Alstom.
Атомные электростанции строятся с 50-х годов прошлого столетия и к настоящему времени на мировом рынке насчитывается десяток крупных производителей оборудования для АЭС. С начала развития атомной энергетики Франция – родина Alstom - рассматривала АЭС как основной источник электрогенерации. Наверное, поэтому французские инженеры сделали главную ставку на создание самого эффективного и надежного оборудования для машинных залов АЭС. Многолетние усилия специалистов принесли желанные результаты. На рубеже тысячелетия французский концерн Alstom завоевал мировое лидерство на рынке атомного турбостроения благодаря разработке инновационной тихоходной установки ARABELLE™[1].
НЕОБЫЧНАЯ ТУРБИНА
Конструкция компактной тихоходной турбины ARABELLE™ в сочетании с экономичным и надежным генератором GIGATOP обеспечили для этого типа турбоустановки самые высокие в мире показатели мощности и надежности, а также снижение затрат на строительство и эксплуатацию энергоблока в целом.
Технология тихоходной паровой турбины является самой эффективной для АЭС, так как лучше других позволяет «обрабатывать» огромное количество пара, поступающего из реакторной части станции. Поскольку ротор такой турбины вращается с меньшей скоростью по сравнению с роторами обычных - быстроходных - установок, которые также используются на АЭС меньшей мощности, центробежная сила у них ниже и, следовательно, на них могут быть установлены лопатки большей длины. А длинные лопатки, в свою очередь, помогают получать больше энергии из пара даже при более низких температурах в реакторе, тем самым минимизируя тепловую нагрузку на оборудование.
Благодаря уникальным особенностям своей конструкции паровая турбина ARABELLE™ способна обеспечивать широкий диапазон предельной мощности АЭС (1000-1900 МВт)[2]. При этом для АЭС мощностью свыше 1200 МВт поставляются только тихоходные турбины.
Учитывая компактность (длина турбины составляет всего 55 метров) для установки ARABELLE™ требуется меньше пространства машинного зала, что сокращает стоимость и длительность строительства АЭС. Говоря об эффективности турбины – у ARABELLE™ она на 5% выше, чем у обычной быстроходной турбины. За весь срок работы электростанции экономический эффект от более высокой производительности можно оценить в сумму до 200 млн. евро. При этом коэффициент надежности достигает беспрецедентной величины - 99,96%.
НАДЕЖНЫЙ ПАРТНЕР В РОССИИ
В 2007 году с целью расширения доступа к технологиям атомного турбостроения мирового уровня АО «Атомэнергомаш» (машиностроительное подразделение Госкорпорации «Росатом») и Alstom Power Systems (с 2016 года входит в GE) подписали соглашение о создании ООО «Турбинные технологии ААЭМ» (ААЭМ), в соответствии с которым совместное предприятие получило передовую технологию ARABELLE™.
«В первые годы, - вспоминает технический директор ООО «ААЭМ» Александр Цветков, - совместное предприятие уделяло особое внимание развитию конструкторско-технологических компетенций своего персонала и формировало единую международную команду, способную быстро реагировать на потребности высокотехнологичного рынка атомной энергетики. «ААЭМ» приняло участие в разработке АЭС нового поколения на базе российского реактора в связке с новой для России турбиной ARABELLE™. Инженерам со стороны «ААЭМ», Alstom Power Systems и проектных институтов России удалось в кратчайшие сроки разработать готовый проект машинного зала новой АЭС с высокими показателями готовности, КПД и надежности».
«Этот конструкторский задел, - отмечает генеральный директор ООО «ААЭМ» Илья Вергизаев, - плюс отлаженная работа объединенной команды «Атомэнергомаш» и Alstom Power Systems значительно усилили позицию ААЭМ на международном рынке строительства АЭС. В 2016 году ААЭМ получило контракт на поставку вспомогательного оборудования комплектной паротурбинной установки для строящейся в Финляндии АЭС «Ханхикиви», а в 2017 году - контракт на поставку оборудования комплектной паротурбинной установки машинного зала для АЭС «Аккую» в Турции общей мощностью почти 5 ГВт».
АРИФМЕТИКА ПАРТНЕРСТВА: 1+1=3
«ААЭМ» отвечает за поставку для проектов ГК «Росатом» комплектных паротурбинных установок, в которые входят тихоходные паровые турбины ARABELLE™, четырехполюсные турбогенераторы GIGATOP и все вспомогательные системы турбоустановки. Здесь в полной мере проявляются все «плюсы» совместного предприятия, когда 1+1 в сумме дает 3. Объединение опыта и промышленной экспертизы машиностроительных гигантов – АО «Атомэнергомаш» и GE, помноженные на талант инженеров «ААЭМ», в итоге позволяет применять в российских проектах передовые технологии и ноу-хау.
Так, например, в рамках проекта АЭС «Аккую» «ААЭМ» выступает в качестве комплектного поставщика всех вспомогательных систем турбоустановки, включая теплообменные аппараты, конденсатные и питательные насосы, трубопроводы и др. Большая часть этого оборудования производится на заводах концерна «Атомэнергомаш» при техническом содействии GE и «ААЭМ» в рамках договора по передаче технологии турбины ARABELLE™ для турбинного острова АЭС.
Реакторный остров станции строится по российским технологиям – ее четыре энергоблока будут оснащены реакторными установками ВВЭР-1200, причем российские подрядчики принимают на себя не только обязательства по строительству энергообъекта, но и по его обслуживанию, и по выводу из эксплуатации по истечению ресурса (принцип «Строй - владей – эксплуатируй»).
Сегодня порядка половины атомных электростанций в мире работают на базе технологий GE, выдавая в сеть более 200 ГВт. Выбрав турбоустановку ARABELLE™ в качестве основного оборудования машзалов для ряда ключевых зарубежных проектов, можно с уверенностью сказать, что «Атомэнергомаш» сделал выбор в пользу самой современной технологии, которая в ближайшие 10-20 лет останется эталонным промышленным стандартом. И, конечно, свою роль в распространении технологии ARABELLE™ будет активно играть совместное предприятие «ААЭМ».
[1] ARABELLE : A-Ra-Bel – сокращение от Alstom, Rateau (компания-производитель паровых турбин, поглощенная Alstom в 50-х гг прошлого века) и Belfort (название французского города, где турбина была создана). Ее мощность варьируется от 700 МВт до почти 2 ГВт.
[2] В отличие от повсеместного применения в турбинах для АЭС двухпоточных конструкций цилиндров высокого, среднего и низкого давления (ВД, СД и НД), турбина ARABELLE™ разработана с целью ограничения количества потоков в части ВД и СД.
Уникальная комбинация частей ВД и СД в одном цилиндре обеспечивает 60% расширения в едином высокоэффективном потоке в первую очередь за счет минимизации вторичных потерь и внутренних протечек. Наряду с этим количество ступеней давления в комбинированном однопоточном цилиндре высокого и среднего давления (ЦВСД) - 13 ступеней - значительно больше, чем в двухпоточных цилиндрах альтернативных конструкций (от 5 до 7 ступеней) и поэтому суммарно за счет возврата тепла в каждой ступени внутренний КПД совмещенного цилиндра выше, чем для двухпоточных конструкций.
Разработка ЦВСД потребовала решения ряда сложных инженерных проблем. Изменилась конструкция ротора, увеличилась его масса. В связи с этим ротор стал не цельнокованым, как у других производителей, а сварным. Технологию сварки конструкции, подвергающейся огромным нагрузкам, пришлось также разрабатывать специально. Выросли размеры лопаток турбины, и потребовалось проделать большую исследовательскую работу для достижения рекордных газодинамических характеристик ступеней, работающих во влажной паровой среде.
В итоге, при одной и той же тепловой мощности реактора, одних и тех же параметрах пара перед турбиной, и при том же давлении в конденсаторе турбоустановка ARABELLE™ продемонстрировала ощутимую прибавку в электрической мощности.